納米材料和納米結構第一講-new

1、納米材料和納米結構,鄭州大學 2009 - 2010學年上學期課程,2009級 物理工程學院,課件制作：李新建課程講授：張迎九物理工程學院材料物理教育部重點實驗室電 話：67766870電子郵件：zhangyj2006@zzu.edu.cn辦公地址：南校區(qū)物理南樓315房間,個人介紹,1、Zhonglin Wang (Editor in Chief), Handbook of nanophase an

2、d Nanostructured Materials --- Synthesis，Beijing, Tsinghua University Press (March, 2003)2、朱 靜等編著，納米材料和納米器件，北京，清華大學出版 社（2003年4月）3、J. H. 芬德勒（美）著，項金鐘，吳興惠譯，納米粒子與納 米結構薄膜，北京，化學工業(yè)出版社（2003年8月）4、張金中，王中林，劉俊

3、，陳少偉，劉剛玉著，曹茂盛， 曹傳寶譯，自組裝納米結構，北京，化學工業(yè)出版社（2005年1月）5、G.-M. Chow, N. I. Noskova, Nanostructured Materials, Kluwer Academic Publishers (1998) 6、圖書館可以檢索到的所有相關書籍、綜述性文獻,課程主要參考書,主要內容 納米材料的基本概念 納米材料的主要制備技術 納米材料的結構

4、及其表征技術 納米材料的物理性能 納米材料的應用 授課方法：講述 + 專題講座 考核方式：開卷考試 + 考勤,課程的主要內容、授課方法及考核方式,當代納米科技與納米材料---內涵、意義與挑戰(zhàn)李 新 建材料物理教育部重點實驗室2006年08月30日,,關于物理學：一個錯誤但流行的觀念,目前有一個廣為流行但是非常錯誤的觀念：那就是認為物理學作為一個有科學意義和價值的研究領域已經大為過時。 然而事實是，在物理學領

5、域，亟待我們去忘我探索的科學規(guī)律和我們已經探知的科學規(guī)律一樣多。 ---- John Maddox，《Nature》雜志前主編,材料研究的重要性 納米材料的研究歷史 納米材料的科學內涵 納米材料的研究意義 納米材料面臨的挑戰(zhàn),報 告 內 容,第一部分材料研究的重要性,材料是現(xiàn)代文明發(fā)展的基礎和先驅,石器時代（the Stone Age）：石材 陶器時代（the Pottery Age）：陶器

6、 青銅器時代（the Bronze Age）：青銅 工業(yè)革命時代（the Industrial Revolution）：鋼鐵 信息時代（the Information Age）：硅,主導21世紀科學與技術的四個關鍵領域,信息科學 Information Science 生命科學 Life Science 環(huán)境科學 Environment Scien

7、ce 納米科技 Nanoscience & Nanotechnology,第二部分納米材料的研究歷史,納米科技的提出：一個神奇的夢想,人物：Richard. P. Feynman (1964年Nobel物理獎得主)時間：1959年12月25日地點：美國加州理工學院,,There is a plenty of rooms at the bottom,概念的提出、建立與發(fā)展,1962年，日本物理學家 K

8、ubo 建立 Kubo 理論 1974年，日本物理學家 Taniguchi 提出納米技術（Nanotechnology）的概念 1981年，德國物理學家 H. Gleiter 提出固體納米結構（Nanostructure of Solid）的概念 1990年，第一屆國際納米科學技術會議（美國，巴爾的摩） 規(guī)范納米科技四大領域：納米電子學、納米機械學、納米生 物學

9、、納米材料學,制備與測試技術發(fā)展,1981年，德國物理學家 H. Gleiter 金屬納米粉體、納米結構固體（Nanostructured Solid）的物理制備，真空蒸發(fā)冷凝法 1982年, IBM實驗室G.Buining, H.Rohrer (Nobel物理獎得主） 掃描隧道顯微鏡（STM）的發(fā)明，原子尺度材料結構的觀 察、人工操縱及加工1985年，美籍中國物理學家 李遠哲（Nobel化

10、學獎得主） 分子束外延技術（MBE）生長薄膜材料，半導體超晶格技術,制備與測試技術發(fā)展（2）,制備與測試技術發(fā)展（3）,單晶硅表面原子排列,由C60分子在單晶銅表面做成的納米算盤,制備與測試技術發(fā)展（3）,用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運和操縱48個原子，使它們排成圓形。,制備與測試技術發(fā)展（4）,,研究熱潮的到來,2000年美國啟動納米技術促進計劃,,N. Lane科學技術總統(tǒng)助理 “如果人們問我哪個科學和工

11、程領域最有可能在未來產生突破性成就，我認為會是納米科學和工程” 。,,W. J. Clinton美國總統(tǒng)“我正在支持一項對美國未來經濟和發(fā)展將產生深遠影響的納米技術，它是21世紀最重要、應該優(yōu)先發(fā)展的計劃……”。,美國政府發(fā)布“國家納米技術倡議（NNI）”；同時，成立隸屬于美國國家技術委員會（NCT）的國家納米科學、工程與技術分委員會（SNSET）,,研究熱潮的到來（2）,日本、德國立即出臺相應研究計劃,,,日本政府要像抓微電子

12、技術那樣狠抓納米技術……，把發(fā)展納米技術作為21世紀前20年日本的立國之本。,德國政府納米技術是21世紀高科技的制高點。宣布成立跨部門的六大科學研究中心,協(xié)作發(fā)展納米技術。,研究熱潮的到來（3）,,,其他國家行動,,,印度要像抓軟件產業(yè)那樣，快速發(fā)展納米技術。,韓國2001年成為對納米技術投入增長最快的國家。,研究熱潮的到來（4）,中國：決戰(zhàn)納米時代2000年7月中央政治局全體委員聽取中科院有關納米技術的報告，提出決戰(zhàn)納米時代

13、的指示國內研究已經具備一定的基礎，建立了一定的國際影響宣布成立國家納米科技中心目標：建立中國自己的納米科技創(chuàng)新體系,第三部分納米材料的科學內涵,人類認識自然的尺度范疇,宇觀尺度：距地球最遠星系約 150 億光年 宏觀尺度：肉眼可見范圍，約 10-4 m 以上 介觀尺度：包括微米、亞微米、納米和團簇 原子原子核尺度：10-15 m --- 10-10 m 基本粒子尺度：10-19 m，包括夸克、輕子,納米科學與技術的基本特

14、征與特點,學科交叉性 納米科學與技術是基于納米尺度的物理、化學、生物學、材料學、制造、信息、環(huán)境、能源等多學科構成的一個新興學科交叉體系。學科的層次 納米科學與技術是涉及基本原理、關鍵技術和廣泛應用的科學技術體系，可大致分為基礎、技術和應用三個層次。,納米科學與技術的基本特征與特點（2）,學科研究與發(fā)展的基本內涵 納米科學與技術的研究和發(fā)展是一個復雜的系統(tǒng)工程，它主要包括五個方面： （1

15、）由基礎研究支撐的創(chuàng)新思想和概念； （2）由工藝、技術研究支撐的技術革命和革新； （3）測試、表征以及納米標準的建立和完善； （4）技術成果產業(yè)化的組織和實施； （5）技術成果市場的及時開拓和發(fā)展。學科的基本技術基礎和支撐 納米科學與技術的基本基礎和支撐是納米材料和納米器件。,納米科學、納米技術及其學科分類,納米科學研究納米尺度范疇內原子、分子和其他類型物質運動和變化的科學,納米技術在納米尺度范疇內

16、對物質（原子、分子、團簇、或材料等）進行操縱和加工的技術,學科分類納米科學與納米技術無法截然分開。目前，按照研究內容，獲得普遍認可的分支學科大致包括：納米材料學、納米電子學、納米光子學、納米機械學、納米摩擦學、納米生物學、納米加工學、納米檢測與表征等；納米材料與器件是上述所有分支學科的共同交叉點,納米材料的定義,納米材料是指材料的基本結構單元至少有一維的特征尺寸介于1~100 nm，并由于納米尺寸效應（nanoscale size e

17、ffect）、表面/界面效應（surface/interface effect）和量子限域效應（quantum confinement effect）而表現(xiàn)出奇異的、不同于相應的體材料所具備的物理或化學特性的材料或材料體系,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米顆粒與粉體（零維）納米線與納米管（一維）納米帶（二維）納米薄膜（二維）多孔材料納米結構材料有機分子材料,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,薄膜、量子線和量子點：截面示

18、意圖,薄膜,量子線,量子點,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,鉑催化劑納米顆粒：形貌與電子衍射,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,碳納米管,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米管與納米線,（a）CVD多壁碳納米管，（b）GaN納米線，（c）SiC納米線,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,ZnO 納米帶,寬度、厚度均為nm 量級，長度 mm 量級,多孔氧化鋁,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,多孔材料：

19、MCM-41分子篩,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,GaAs/InAs多層膜量子點,納米材料的分類（幾何形狀與維度）,納米結構材料的分類示意圖,,納米材料的基本結構特征,納米材料的基本物理特性,1. 量子尺寸效應:,隨著顆粒尺寸變小，晶體傳統(tǒng)的周期性邊界條件將被破壞，在一定條件下會引起材料的物理性質發(fā)生質的改變,出現(xiàn)新的效應。這種由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為量子尺寸效應。舉例: 如材料的光吸收會顯著增加, 所有的

20、金屬將失去光澤而變?yōu)楹谏?；超導相向正常相轉變; 磁性產生質變；熔點降低等。具體例子：如金納米顆粒熔點為600 K，而金的體材料熔點為1337 K；納米銀的熔點可降低到l00℃。此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新上藝。,納米材料的基本物理特性（2）,2. 量子限域效應,各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。由無數(shù)的原子構成固體時【原子間距的變短】，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可

21、以看作是連續(xù)的。能帶理論能成功解釋金屬、半導體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別。,原子,固體,固體能級填充,原子、大塊晶體、和納米晶的能態(tài),,,納米晶,納米材料的基本物理特性（2）,對介于原子、分子與大塊固體之間的納米晶體，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。Kubo早在1962年就從理論上給出了能級間距和金屬顆粒直徑的關系: 當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列

22、與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子限域效應。如導電的金屬在納米顆粒時可以變成絕緣體，而半導體納米體系的發(fā)光譜線會產生向短波長方向的移動。,納米材料的基本物理特性（2）,舉例：CdS/硅納米孔柱陣列,,納米材料的基本物理特性（2）,,納米材料的基本物理特性（3）,3. 表面與界面效應,金屬的納米粒子在空氣中會燃燒，無機材料的納米粒子暴露在大氣中會吸附氣體并與氣體進行反應。,尺寸小，表面大，活性高。,納米材料的基本物理特性（4）,4.

23、 宏觀量子隧道效應,材料中作為基本粒子之一的電子既具有粒子性，又具有波動性，這就是微觀粒子的波粒二象性。而量子隧道效應則是所有量子力學體系的基本特性之一。 納米材料是一個典型的量子力學體系。因此，宏觀量子隧道效應將會成為未來微電子、光電子器件的基礎；同時，它也給出了微電子器件進一步微型化的物理極限。 在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就會發(fā)生隧道效應而使器件無法正常工作。理論預測表明，經典電路的極

24、限尺寸大概為35 nm,而目前大規(guī)模集成電路的線寬已經達到 70 nm?？茖W家們已經成功研制出的單電子晶體管（量子共振隧穿晶體管）就是利用量子效應制成的新一代器件，并有望成為新一代計算機的基礎。,納米材料的基本物理特性（4）,舉例：庫倫阻塞效應與單電子器件,,(a)-(b)系統(tǒng)能量增加，庫倫阻塞效應(c)-(d)系統(tǒng)能量不變，隧穿效應發(fā)生,,納米材料的基本物理特性（4）,在兩個電極中間的絕緣層的中間再做一個電極II，使之帶半個電

25、荷，則兩邊的電極會各感應出半個符號相反的電荷。如此，可以通過電極II上電壓的變化來控制隧穿效應的發(fā)生。,納米材料的基本物理特性（4）,,,納米材料的制備技術,納米材料兩個制備理念,從大到小: 固體?微米顆粒?納米顆粒從小到大: 原子?團簇?納米顆粒,納米材料的制備技術（2）,第四部分納米材料的研究意義,納米材料是二十一世紀的主導技術,,工業(yè)革命以來已經歷了三次主導技術，引發(fā)了三次工業(yè)革命,,什么是主導技術？,科學革命,,技術革命,

26、產業(yè)革命,,,第一次產業(yè)革命(1734-1834）,納米材料是二十一世紀的主導技術,? 主導技術：蒸汽機? 科學基礎：牛頓力學、熱力學、 能量轉化原理,納米材料是二十一世紀的主導技術,,第二次產業(yè)革命（1835-1914）,? 科學基礎：電的發(fā)現(xiàn)、電磁場理論 ? 主導技術：電氣化技術、發(fā)電機、電動 機、電力傳輸、無線電通訊,納米材料是二十一世紀的主導技術,,第三次產業(yè)

27、革命（1945-2010？）,? 科學基礎：量子理論、能帶理論、半導體制 備技術、硅平面工藝?主導技術： 微電子技術、計算機技術,納米材料是二十一世紀的主導技術,,三次產業(yè)革命的啟示,1、每次產業(yè)革命都會造就一、二個新的先進國家；2、主導技術都經歷孕育期、生長期、高速發(fā)展期、 穩(wěn)定期，主導技術的生命周期約50-60年；3、在主導技術的穩(wěn)定期都開始蘊育下一個主導技術；4、主導技術都會帶動產業(yè)革命，先

28、從傳統(tǒng)產業(yè)改造 開始，并逐漸形成新的產業(yè)群。,納米材料是二十一世紀的主導技術,,為什么納米技術會引發(fā)新的產業(yè)革命,,科學基礎,,中間領域的重大發(fā)現(xiàn),,,納米技術的產業(yè)革命,科學框架的建立,納米材料是二十一世紀的主導技術,,納米科學涉及幾乎所有關鍵技術領域,制高點,基 礎,基 礎,,,,納米材料是二十一世紀的主導技術,納米技術—新工業(yè)革命的主導技術,,20世紀,微米技術是科技發(fā)展的制高點, 是工業(yè)革命的主導技術。,納米材料是

29、二十一世紀的主導技術,高集成、高空間分辨率，存儲密度：1000GB,計算速度提高100~1000倍、功率增加1000倍，能耗降低一百萬倍，芯片尺寸降低100~1000倍,,21世紀,DNA芯片,納米材料是二十一世紀的主導技術,納米材料是二十一世紀的主導技術,,,節(jié)省能源利用資源優(yōu)化環(huán)境,新工業(yè)革命,納米材料是二十一世紀的主導技術,納米技術,對關鍵問題的影響力,? 推動GDP快速增長,,納米材料是二十一世紀的主導技術,中國占多少份額

30、,市場分析,名人預測,名人預測,第五部分納米材料面臨的挑戰(zhàn),21世紀，高科技產業(yè)如信息、生物技術、資源環(huán)境、新型能源、宇航、海洋和新材料等領域都面臨著新的挑戰(zhàn)，納米技術的切入，使這些高科技領域的發(fā)展出現(xiàn)新的機遇，蘊藏著巨大的潛力。,水平和機遇,水平和機遇,能 源,提高能量轉化效率,? 太陽能 >30% 電能,? 氫能源利用,? 熱能 提高10% 電能,,? 海底天然氣利用,水平和機遇,生物、醫(yī)藥,? 納米的靶向藥物

31、,? 高效緩釋藥物,? 細胞內傳感器,? 生物芯片,? 納米生物探測技術,水平和機遇,信息產業(yè),單電子 器件,磁電子 器件,自旋電子器件,共振隧穿器件,光電子 器件,巨磁電阻器件,量子點和分子電子器件,,,,,,,,,納米結構器件納米加工,過濾器截止器諧振器微電容微電極,環(huán) 境,納米技術能消除水中小于200納米和空氣中小于20納米的污染物。,? 環(huán)境探測器,? 納米結構反應器,水平和機遇,水平和機遇,新材

32、料,? 輕質、高強,? 多功能，智能，自清潔,? 高聚物和納米復合物,? 高表面積多孔材料 凈化、分離、催化,? 生物相容、自我調整 藥物分配器,中國納米產業(yè)的發(fā)展目標,? 全方位向傳統(tǒng)產業(yè)滲透，調整產品結構，推進傳統(tǒng)產業(yè)業(yè)態(tài)升級；,? 建立若干個以納米技術為主導的新興產業(yè)基地，初步形成具有自主知識產權的新興納米產業(yè)鏈；,? 向信息、生物醫(yī)藥、能源環(huán)境、宇航等高科技領域切